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摘要:利用線上實驗資源共享和信息交互方面的特有優勢，可以有效彌補現有線下實驗教學過程管控評價不合理和實操受實驗室時空限制的短板。本文以電子技術類課程為例，開展線上線下融合式實驗教學模式的研究和實踐，在實際應用中取得了較好的效果。
一、概述
2020年上半年，國內廣泛開展線上教學活動，截至5月8日，全國共有1454所高校、103萬名教員開設線上課程107萬門，在線學習量高達1775萬次［1］。與此同時，線上教學以其獨特的資源共享和互動靈活性，得到廣大師生的認可，據統計80．3%教員和84．07%學員對在線學習的感覺良好。全國政協委員胡衛認為:線上線下融合的教學模式將成為主要發展趨勢。電子技術類課程作為專業背景課，分為理論和實驗兩個模塊，其中實驗模塊占1/3的比重。2020年上半年，電子技術實驗教學主要借助電腦和手機仿真軟件來實施，部分班次也依托線上仿真實驗平臺進行了教學嘗試。通過教學實踐發現，線上實驗雖然缺乏線下實驗的實操感，但其在理論驗證、仿真設計和教學評價等全過程管控環節中展現出線下實驗所無可比擬的優勢。學員普遍反映線上實驗有更高的參與感，能更好地助力于理論知識的理解吸收［2］。為此，融合線上和線下實驗的共同優勢，構建全新的電子實驗教學模式，成為擺在我們面前的全新且極具意義的課題。據調查，目前國內包括清華大學、華中科技大學、武漢大學、華南理工大學、浙江大學、東南大學、北京航空航天大學、哈爾濱工業大學、四川大學、北京理工大學等在內的十余所高校，均已開始展開對線上線下融合實驗教學的研究和實施。
二、現有線下實驗教學模式的弊端
電子技術類課程在我校的開設歷史已有幾十年，目前線下實驗條件已能滿足單人單組的實驗要求，但過程管控、評價模式以及信息化手段等方面的不足問題依然嚴重。
(一)學習過程不能掌控
依賴實驗人力管控是當前線下實驗教學過程管控的主要方式，這種管控方式有效性差，同時受時空條件約束。以我校電子技術類線下基礎實驗為例，學員在課程期間需完成8—10個實驗項目，每個班次可同時容納40人左右實驗，配備1名主講教員和1名輔導人員。學員在課程學習器件的過程管控和實驗室管理主要依賴2名教輔人員。為有效管理，通常將實驗流程分為:預約、預習、設計、實作、調試、審核、驗收等七個環節。其中預約和預習由學員在課前完成，教員通過隨機提問和抽查等方式了解預習情況，由于無法規范確切地獲取所有學員的預習數據，預習環節管控有效性較差［3］。從設計到審核都在實驗室現場完成，學員必須在規定的時間內完成既定實驗項目，教輔人員根據實驗要求和學員實做情況穿插答疑，并幫助學員排除系統故障。電子系統的功能實現涉及器件、儀表和制作工藝等多方面因素，經常會出現學員無法當場完成任務須利用其他時間加班的情況，受限于實驗室開放時段和人員工作安排因素，學員在課外的工作一般無法得到教員的實時指導，也無法將過程數據真實地展現給教員，此時的過程管控基本是開環，教員處于有心無力的狀態［4-5］。另外，由于缺少實時監控手段，教員在過程中缺少反映實驗狀態、技能掌握程度及班級實驗共性問題的學情信息數據，無法對實驗效果做出客觀判斷。
(二)評價方式不夠合理
培養學員實驗能力和素養的主要途徑是完成實驗的過程，通過學員在實驗現場的操作情況，可以反映其真實的實驗水平。但是結果檢測往往比過程檢測容易，所以最終的實驗數據是否正確，就理所當然地成為評價學員實驗學習效果的依據［6］。隨著教學改革的逐漸深入，課程終結性評價中須考慮過程評價指標。當前，線下實驗的主要依托人力過程管控的過程評價主要參考每個實驗項目的結果，比如項目完成度和實驗報告，教員根據學員提交的作品和報告給出項目評定成績，課程的總體過程評價成績則為所有實驗項目成績的平均值。這種過程評價方式，實際還是“結果導向”評價方式，無法避免走過場、效率低等問題［7］。真正的過程評價還應該包含其他量化指標，比如:(1)課堂表現。包括學員在課堂上參與討論情況、幫助同伴解決問題情況以及實驗室設備歸置情況。(2)課外表現。學員預習情況、查閱資料的能力、項目探究擴充能力。這些指標的給定需要依托大量學情數據才能得以實現，目前的線下實驗還不足以支撐真正的過程評價。
三、線上實驗教學模式的優勢
(一)打破線下實驗的時空限制
線上實驗只要在互聯網覆蓋的地方，學員都可以進行實驗研究，不受線下實驗室空間和時段的限制［8］。具有實驗項目發布及時、收集管理學員信息、全程監控實驗過程、關鍵數據的獲取和記錄、實驗效果自動評價等功能。實驗完成后，學員能夠反映實驗過程中的真實體會，并給出實時評價和提出意見建議;系統可以動態推送優質實驗項目排行榜，鼓勵高質量實驗項目共享，讓實驗項目亮相，打破壁壘，推行共享共建［9］。
(二)實時獲取現場過程數據
線上實驗的“做”體現在:學員能在調整電路時，通過網絡終端的儀器顯示觀察到電路性能參數的變化，從而獲得線下實驗的現場真實感。線上實驗平臺通過在線獲取數據，了解實驗實施情況的關鍵數據。關鍵數據有兩類:(1)實驗測量數據。利用學員在實驗過程中產生的儀器測量數據，通過內置協議，獲取和控制儀器設備相關參數信息。(2)實驗過程狀態數據。包括實驗進行過程中的時間、實驗次數、試錯及速度等數據。采集實驗每一步的時間，并提交至后臺，并按一定的算法對實驗次數和準確率進行實時更新。
(三)合理精準的過程評價
為了獲取滿足不同教學觀測視角所需的分析結果，可以在線上實驗平臺海量學情大數據基礎上進行挖掘和篩選。通常采取以下步驟:(1)打標簽。將每一類學情數據根據不同的意義打上不同的“標簽”，根據不同的應用場景，形成不同權重的數據組織。(2)建立評價模型。通過建立數據與評價觀測點的映射關系，設計出具有關鍵效果評價指標的計算模型。(3)推送整定結果。設計軟件，將分析結果自動推送給指定對象，實現數據從獲取、分析到應用的閉環。
四、線上線下融合實驗教學模式的實施
(一)構建線上實驗平臺
實驗管理平臺關聯線上和線下實驗，在配備有示波器、電壓源、信號源和頻譜儀等測量儀器和實驗元器件、電路實物模塊的實驗室內設置終端，學員可以在任何具備網絡條件的地方，通過計算機遠程遙控智能實驗平臺的方式完成和實驗室內一樣的實驗［10］。通過此系統，可以將關鍵數據自動存入學員的賬號下，實現遠程全“真”硬件實驗，實驗室內、外大數據無死角采集。目前，國內有多家企業進行了線上實驗的開發，下圖是易星標遠程在線實驗管理系統構成示意圖。
(二)建立一套實驗課程體系
實驗教學中，部分單元實驗以理論驗證功能為主，可以通過遠程線上實驗完成;綜合難度高的實驗項目可以在線上完成設計驗證，再到線下實驗室制作和調試，實驗結果上傳至平臺形成閉環。平臺實驗項目及實施方式如下表:
總結
線上線下融合的實驗教學模式通過先采集學習者學習過程的數據，再根據積累的大數據，自動分析學習者的知識點掌握情況，并推送相關內容，從而使得知識傳遞效率和過程評價的有效性大大提高。該模式不但解決了師生對傳統硬件實驗室環境的依賴性問題，同時通過技術手段解決了學生遠程自主動手實驗的問題，滿足實驗參與度需求，是未來實驗教學的主要發展趨勢。
作者：朱旭芳 胡秋月 單位：海軍工程大學電子工程學院